聚合攪拌

聚合攪拌：聚合反應攪拌裝置
對工業聚合生產而言，聚合物質量與生產成本的高低，不僅取決于聚合反應工藝，還受制于聚合反應器的結構型式。攪拌釜式反應器作為重要的聚合反應設備，需要專業的選型與設計，以解決質量與能量傳遞的問題，使產品性能均一、生產成本下降。

　　攪拌釜式聚合反應器的設計與工程放大幾乎集中了所有攪拌反應器的難度，主要有：

　　(1) 產品的質量要求高。例如產品分子量、分子量分布、力學性能、耐熱性、平均粒徑、粒徑分布、顆粒形態等均有很高的要求；

　　(2) 聚合物體系的復雜多變性。例如非均相體系、高粘非牛頓體系、變粘度體系等；

　　(3) 攪拌釜中流動的復雜性。例如三維流動的隨機性、攪拌器形狀復雜、邊界條件難定等；

　　(4) 聚合過程熱效應大，反應溫度要求苛刻，傳熱元件與攪拌器往往需特殊設計。

　　(5) 聚合設備大型化。

　原正公司與浙江大學進行了多年的產學研合作，在聚合反應技術與裝備方面吸取了許多寶貴的經驗與理論指導，相繼開發了多種聚合過程的攪拌設備，并成功應用于工業生產。

　　◇ 間歇溶液聚合反應器

　　間歇溶液聚合反應器設計的難易程度取決于聚合反應后期的體系粘度高低，聚合過程中如果體系粘度變化不大，攪拌器設計比較簡單。但大多數間歇溶液聚合反應開始時單體粘度很低，隨聚合進行，粘度急速增高，而一般的攪拌器很難適應粘度大范圍的變化，某些半連續聚合工藝在反應過程中不斷滴加單體導致液面變化也很大，若采用多層葉輪，能量輸入有突變，且液面物料飛濺。此外，一些反應到后期產生粘釜物，傳熱系數大幅度下降。

　　對針對此類聚合，原正已積累了豐富的設計與制造經驗，可根據不同工藝采取有效措施：

　　(1) 開發了寬粘度域攪拌器—SP304大葉片槳，能適合物料粘度大幅度變化的工藝，聚合初期低粘狀態時為軸流槳，粘度增加時，流型逐漸趨向徑流，利于提高內置換熱元件與夾套的傳熱系數。

　　(2) 采用共軸攪拌技術，可適應更寬的粘度域。內層為高速多層渦輪槳，適合聚合初期，當粘度增加時，啟動外層低速框式攪拌器，適合高粘度體系的混合，框式攪拌器上還可以安裝各種刮板以清除粘釜物，強化傳熱，刮板結構需根據物性及粘釜程度專門選型設計。

　　(3) 采用螺桿攪拌器，在導流筒的配合下，從0.5~100000mPa.s的粘度范圍都能保持較高的循環能力與混合效率，有效地消除了攪拌反應器內上下濃度和溫度的不均勻性，導流筒的壁還可以設計成空心結構，內通冷卻介質，雙面傳熱具有較高的傳熱效率。由于螺桿導流筒具有循環能力強、適應粘度范圍大、傳熱效率高等三個特點，使其成為間歇溶液聚合的典型攪拌器，成功的應用包括用于生產碳纖維的丙烯腈溶液聚合、DMC開環聚合生產硅橡膠等。

　　(4) 部分攪拌器可設計成空心結構，攪拌器的與攪拌軸都是中空的，冷卻介質在空心通道內流動，由于攪拌器處于運動狀態，其傳熱系數比內置盤管大5倍。空心攪拌器也可用于固含量較高的於漿加熱或冷卻過程，在難以設置擋板和盤管的搪玻璃設備內也較為適用。

　　(5) 攪拌器及容器內壁鏡面拋光，可減少粘釜物的生成。

　　(6) 沒有粘釜物產生時，選用近壁型攪拌器可提高傳熱系數；

　　(7) 對于大型聚合反應器，僅靠夾套傳熱面不夠時，用各種內構件增加傳熱面，或用外循環換熱補充傳熱面，或用低沸點溶劑或單體蒸發撤熱。

 聚合攪拌：聚合反應攪拌裝置

　　◇ 連續溶液聚合反應器

　　連續溶液聚合反應器設計除考慮混合與傳熱外，還需特別考慮停留時間分布，為了得到更窄的停留時間分布，采用多個全混釜串聯是一種方法，也可采用平推流反應器以減少反應器數量、降低設備投資。

　　采用多個全混釜串聯時，釜的數量一般從3個到8個不等，數量越多，停留時間分布越窄，投資越大，設計時需權衡各因素。每個反應器的攪拌器型式可以各不相同，聚合首釜為低粘體系，采用渦輪或葉片式攪拌器在湍流狀態下與擋板配合都能獲得良好的混合，使催化劑與單體混合充分。粘度逐步增加，進入過渡流域操作時，攪拌器可采用多段逆流槳、寬葉曲面軸流槳、開啟渦輪槳等。反應后期體系粘度更高，進入層流域操作，攪拌器采用螺帶、斷螺帶等型式，攪拌器根據粘釜物情況采用近壁設計或帶刮板設計。

　　為了使停留時間分布更窄，流動更接近平推流，抑制軸向返混，設備可以設計成長徑比較大的形狀，攪拌器設計成徑向混合好而軸向返混弱的結構，例如框式攪拌器或偏框攪拌器，但首釜由于粘度低，一般仍設計成全混釜。

　◇ 間歇乳液聚合反應器

　　乳液聚合反應器多為間歇生產，由于體系粘度低，攪拌器一般采用葉輪式、三葉后掠式、布魯馬金式等，攪拌反應器的設計與放大主要考慮攪拌混合對聚合過程的影響：

　　(1) 液液臨界分散。對乳液聚合，其主要組分是單體(油相)和連續相(水相)，聚合釜內的攪拌強度必須達到液液分散的臨界點，若攪拌強度過低，則會使單體與水相發生相分離，導致乳液聚合反應速率降低。

　　(2) 溫度和濃度分布。為穩定聚合物產品質量，攪拌必須使聚合釜內物料有足夠的翻轉次數，從而使釜內溫度和濃度分布均一。

　　(3) 剪切速率及剪切速率分布對聚合物乳液穩定性與產品質量的一致性產生重要影響。

　　(4) 聚合熱的撤離。聚合釜的傳熱能力必須滿足反應高峰時的撤熱要求。傳熱主要依靠夾套和內冷管，內冷管的設置必須考慮對釜內物料流動混合和傳熱的影響，攪拌器的流型也應該盡量提高內冷管外壁流體的湍流程度，并消除密集內冷管之間的混合死區。

PVDF聚合反應器

　　◇ 聚酯聚合反應器

　　聚酯聚合反應器一般由酯化釜、預縮聚釜、終縮聚釜串聯組成，其中終縮聚釜為平推流反應器，其余為全混釜。

　　酯化釜為低粘非均相體系，可采用渦輪槳與軸流槳的組合，多元酸的溶出速率與渦輪槳剪切力有關，熱量的輸入又與攪拌器的循環能力及加熱面積相關。

　　預縮聚釜為均相中粘體系，傳熱是攪拌的主要目的，軸流槳在導流筒的配合下提供了更大的排量，大面積加熱管也是傳熱的必要條件。

　　聚酯聚合的關鍵在后期縮聚，傳質成了反應的控制因素。為了提高聚合度，連續縮聚釜的設計不僅要避免返混，還要提供大的傳質表面和短的擴散路徑。臥式單軸圓盤反應器是典型的縮聚設備，具有較強的表面更新能力，在許多PET裝置中的得到應用。然而，某些聚酯的粘度遠超PET，例如PBT，如果仍采用臥式單軸圓盤反應器，物料在圓盤上無法形成均勻的液膜，成團的物料阻止小分子的擴散，也影響傳熱。

　　原正根據超高粘聚酯的工藝特點，終縮聚釜采用了帶刮板的單軸圓盤設備或雙軸自清潔攪拌設備，提供了強大的表面更新能力與傳熱能力，為高聚合度、超高粘度的聚酯生產提供可靠裝置。目前，原正的雙軸自清潔攪拌設備已在PBS、PBAT等裝置中得到成功應用。

STC-6000型PBS縮聚釜

部分業績